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煤层气作为一种低碳、清洁、绿色的非常规天然能源,必将成为今后社会能源需求的一个重要方向。我国的煤层气资源储量十分丰富,有着巨大的开发、应用潜力,是未来极具经济潜力价值的资源,对其开发利用逐渐成为人们关注的焦点。众所周知,压裂是改造储层低渗特性提高气藏开采效率的关键技术。然而,我国煤层赋存条件复杂,含气量较高、非均质性强且渗透率低;煤层割理、层理、节理等天然裂隙网络发育、杨氏模量低、泊松比高、易形变等一系列问题均不可避免。传统水力压裂生成的人工裂缝数目较少,增透能力有限,而且浪费大量水资源甚至破坏地表环境。超临界CO2是介于气体和液体之间的一种流体,其密度接近于液体、黏度接近于气体、表面张力低,扩散系数小、压缩系数大以及对烃类化合物的溶解度高,有利于生成复杂的裂缝网络,将其作为压裂液对煤岩进行压裂试验研究很有意义。本文针对工程压裂过程中遇到的固井水泥、煤层及其覆岩,分别加工了尺寸为100 mm×100 mm×100 mm试样进行压裂物理模拟试验,通过试验研究结合理论分析的方法,对比超临界CO2和清水的压裂特性。对围绕该课题的煤、覆岩（砂质泥岩）和固井水泥的物理力学特性（抗拉强度、抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、脆性度、I型断裂韧度等）、超临界CO2流体特性、煤岩超临界CO2和清水三维压裂特征进行了系统的分析研究,主要结果如下:（1）煤及砂质泥岩相比于水泥,因层理的存在而表现出各向异性力学特征,在垂直层理方位与平行层理方位的力学参数具有显著差异。弹性模量较大、脆性指数较高、抗拉强度较大的岩层,有利于内部裂缝的传播扩展而抑制相邻岩层裂缝的延伸扩展。断裂韧度较小的煤裂缝传播容易且裂缝宽度大。（2）CO2达到临界条件（压强7.38 MPa、温度31.4oC）时具有接近液态CO2的密度、接近气态CO2的粘度、表面张力为0、高压缩性、易溶烃类化合物等特性,所以超临界CO2压裂是一个伴随物理、化学双重作用的过程,物理过程沟通原始裂隙,化学过程降低压裂对象强度。（3）针对水泥试样,相比于清水压裂超临界CO2压裂在?h=8 MPa/?V=10MPa/?H=12 MPa应力条件下起裂压力减小13.7%,在?h=10 MPa/?V=12MPa/?H=14 MPa应力条件下起裂压力减小18.3%,在?h=8 MPa/?V=12MPa/?H=16 MPa应力条件下减小23.4%。相同应力条件下,超临界CO2压裂更容易形成复杂裂缝网络结构,且随着围压的增大,裂缝种类增多。相同CO2气体介质条件下进行二次压裂,经超临界CO2压裂后试样达到的压力最大值低于清水压裂。可见,超临界CO2压裂能够克服固井水泥环起裂压力偏高的难题,产生的裂缝在承压受载时仍具有较高的导通性,有利于裂缝扩展至储层形成高效油气开采通道。（4）针对煤岩试样,相比于清水压裂相同的三种三轴压力条件下超临界CO2压裂更容易起裂,起裂压力分别减小了28.3%、28.0%、27.4%,且随着围压的增大减少比例逐渐减小;超临界CO2压裂能够生成明显的层理裂缝及分叉裂缝,其数量越多主裂缝扩展范围越小;压裂过程中超临界CO2易渗透到煤样内部的层理裂隙及微孔裂隙内导致压力变化迟缓,而且试样破裂后压力不易保持,裂缝宽度较狭窄;清水压裂的裂缝宽度集中分布于0.450-0.650 mm和>1.250 mm区间,而超临界CO2的裂缝宽度集中分布于0.050-0.250 mm区间,两者相差约为3-6倍,对于局部分叉裂缝及层理裂缝,甚至相差2个数量级左右。